Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der University of Toronto hat über 100 Gene entdeckt, die im Gehirn von Primaten häufig vorkommen, aber nur beim Menschen eine evolutionäre Divergenz erfahren haben – und die eine Quelle unserer einzigartigen kognitiven Fähigkeiten sein könnten.
Die Forscher unter der Leitung von Associate Professor Jesse Gillis vom Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research und der Abteilung für Physiologie an der Temerty Faculty of Medicine der U of T. fanden heraus, dass die Gene im Gehirn von Menschen anders ausgedrückt werden als bei vier unserer Verwandten: Schimpansen, Gorillas, Makaken und Krallenaffen.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Naturökologie und Evolutiondeuten darauf hin, dass ein verringerter Selektionsdruck oder eine Toleranz gegenüber Mutationen mit Funktionsverlust es den Genen ermöglicht haben könnte, eine höhere kognitive Kapazität anzunehmen. Die Studie ist Teil des Human Cell Atlas, einer globalen Initiative zur Kartierung aller menschlichen Zellen, um Gesundheit und Krankheit besser zu verstehen.
„Diese Forschung trägt zu unserem Verständnis der Unterschiede im Gehirn zwischen Menschen und anderen Primaten auf zellulärer Ebene bei, hat aber auch zu einer Datenbank geführt, die zur weiteren Charakterisierung genetischer Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Primaten verwendet werden kann“, sagte Gillis.
Das Team, zu dem Forscher des Cold Spring Harbor Laboratory und des Allen Institute for Brain Science in den USA gehören, erstellte eine Gehirnkarte für jede Primatenart auf der Grundlage der Einzelzellanalyse, einer relativ neuen Technik, die eine spezifischere genetische Sequenzierung als Standardmethoden ermöglicht . Sie verwendeten einen Datensatz des BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), der aus Proben aus dem mittleren Schläfengyrus des Gehirns erstellt wurde.
Insgesamt fand das Team 139 Gene, die in allen Primatengruppen vorkommen, sich aber in ihrer Expression im menschlichen Gehirn stark unterscheiden. Diese Gene zeigten eine stärkere Fähigkeit, Mutationen zu widerstehen, ohne ihre Funktion zu beeinträchtigen, was darauf hindeutet, dass sie sich möglicherweise unter einem geringeren Selektionsdruck entwickelt haben.
„Die Gene, die beim Menschen divergiert haben, müssen gegenüber Veränderungen tolerant sein“, sagte Hamsini Suresh, Erstautorin der Studie und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Donnelly Center. „Dies manifestiert sich in einer Toleranz gegenüber Mutationen mit Funktionsverlust und scheint eine schnelle evolutionäre Veränderung im menschlichen Gehirn zu ermöglichen.“
Unsere höhere kognitive Funktion könnte auf die adaptive Entwicklung menschlicher Gehirnzellen zu einer Vielzahl weniger bedrohlicher Mutationen im Laufe der Zeit zurückzuführen sein. Erwähnenswert ist auch, dass etwa ein Viertel der in der Studie identifizierten human-divergenten Gene mit verschiedenen Hirnstörungen in Zusammenhang stehen.
Die von den Forschern identifizierten divergenten Gene kommen in 57 Gehirnzelltypen vor, gruppiert nach hemmenden Neuronen, erregenden Neuronen und Nicht-Neuronen. Ein Viertel der Gene wurde nur in neuronalen Zellen, auch graue Substanz genannt, unterschiedlich exprimiert, und die Hälfte wurde nur in Gliazellen, also weißer Substanz, unterschiedlich exprimiert.
Die graue Substanz im Gehirn besteht aus Neuronen, während die weiße Substanz aus anderen Zelltypen besteht, einschließlich derjenigen, die für die Gefäß- und Immunfunktion verantwortlich sind.
Diese Studie ist Teil der BICCN-Initiative zur Identifizierung und Katalogisierung der verschiedenen Zelltypen im Gehirn von Menschen und anderen Arten. Im Jahr 2021 veröffentlichte das Konsortium in der Zeitschrift eine umfassende Zählung der Zelltypen im primären motorischen Kortex von Mäusen, Affen und Menschen Natur. Die Initiative wirft Licht auf die Evolution des Gehirns, indem sie Neurotransmission und Kommunikation mit höchster Auflösung untersucht.
„Im primatenübergreifenden Einzelzellatlas des mittleren Schläfengyrus befinden sich etwa 570.000 Zellen“, sagte Suresh. „Die Definition eines Katalogs gemeinsamer Zelltypen in diesem Bereich des Gehirns bietet einen Rahmen für die Erforschung der Erhaltung und Divergenz der Zellarchitektur im Laufe der Evolution von Primaten. Wir können die resultierenden Informationen nutzen, um Evolution und Krankheiten gezielter zu untersuchen.“
Mehr Informationen:
Hamsini Suresh et al.: Die vergleichende transkriptomische Einzelzellanalyse von Primatengehirnen beleuchtet die menschenspezifische regulatorische Entwicklung. Naturökologie und Evolution (2023). DOI: 10.1038/s41559-023-02186-7